1、37 三相牵引异步电动机的结构三相牵引异步电动机的结构牵引电机的结构牵引电机的结构图3-28城轨车辆牵引电机实物城轨车辆牵引电机的结构如图3-28所示，由定子、转子、轴承、端盖、接线盒、内外止档、端护罩组成。37 三相牵引异步电动机的结构三相牵引异步电动机的结构图3-29 牵引电机的定子图3-30 牵引电机的转子37 三相牵引异步电动机的结构三相牵引异步电动机的结构城轨牵引电机的特点城轨牵引电机的特点 由于异步牵引电机运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步电机较大的气隙（通常为1.5 mm2.5 mm）。定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行的
2、可靠性。对于选用气隙较小的电机，可在定子槽口开通风槽口，这样可增加通风效果，同时还可以增加电机漏抗，减小谐波电流的影响。定、转子铁芯冲片选用0.5 mm厚的高导磁、低损耗的冷轧硅钢片，要求内、外圆同时落料，以保证气隙的均匀度。转子铁芯内孔与轴用热套固定，取消键槽配合，以满足牵引电机频繁正反起动的要求。鼠笼转子的导条与端环间的联接用感应加热银铜钎焊，对于最大转速较大的牵引电机，可在端环外侧热套非磁性护环，以增加强度和刚度。采用耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作绝缘。并通常选用C级绝缘材料作H级温升使用，以提高电机热可靠性。使用绝缘轴承，阻止由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴
3、承受到电腐蚀，保证轴承寿命。1 1三相三相异步电动机的转差率和转速异步电动机的转差率和转速 三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。立旋转和正弦分布的磁场。旋转磁场的同步转速旋转磁场的同步转速ns与电动机转子转速与电动机转子转速n之差与旋转之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率磁场的同步转速之比称为转差率s：%10000nnns)1)(/60()1(1spfsnns（2-62-6）式中：式中：1 定子频率，定子频率，Hz；p 电动机极对数；电动机极对数；s 转差率。转差率。异步电动机的转速为异步电动机的转速为38三相牵
4、引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理2 2等效电路等效电路 2222222222222/()(XrsrrEsXrEsI）异步电动机本质异步电动机本质:可看成一个可看成一个具有旋转和短路具有旋转和短路的次级绕组的三的次级绕组的三相变压器相变压器。二次电流二次电流I2为为：（2-7）图图2-26 2-26 交流异步电动机等效回路交流异步电动机等效回路38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理3 3特性特性 根据图根据图2-26（c）所示每相等效电路，可以求出）所示每相等效电路，可以求出感应电动机的各项特性感应电动机的各项特性。（1）电流）电流 一次负载电流一次负载电
5、流：22122111)()/(XXsrrVI 一次电流一次电流I1：011III式中：式中：I0 励磁电流，励磁电流，A。(2-8)(2-9)38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理（2 2）功率）功率 由定子向转子输入的电磁功率由定子向转子输入的电磁功率P2，消耗在负载（，消耗在负载（rsr2）上的）上的功率功率为为 2212212212212)()/(/XXsrrsrVsrIP转子铜损转子铜损PCu2为：为：22 12urIPC转子输出的机械功率转子输出的机械功率P0为：为：221221221221220)()/(/)1(1XXsrrsrsVssrIPPPCu（2-12
6、）（2-10）（2-11）38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理（3 3）转矩）转矩一般电动机的输出机械功率可表示为：一般电动机的输出机械功率可表示为：当频率和电源电压恒定时，式当频率和电源电压恒定时，式(2-14)是转差率是转差率s的函数。的函数。TP0转差率为转差率为s的异步电动机输出转矩的异步电动机输出转矩T为：为：22122122100)()/(/260260XXsrrsrVnPnPTs（2-13）（2-14）38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理4 4转矩转矩-转速曲线：转速曲线：转差率由转差率由1到到0时异步电动机的力矩、负载电流和一次电
7、时异步电动机的力矩、负载电流和一次电流变化流变化曲线曲线图图2-26异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线线图图2-27 异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理电源的频率、电压变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线电源的频率、电压变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线:图图2-27（c）：不同定子电压下的转矩）：不同定子电压下的转矩-转速曲线。转速曲线。图图2-27（b）：若增加定子频率而电压保持恒定，转矩）：若增加定子频率而电压保持恒定，转矩-转速曲线。转速曲
8、线。图图2-27（d）：电压）：电压/频率频率=常数时转矩常数时转矩-转速曲线。转速曲线。转矩对定子电流的灵敏度很高，控制定子电流可具有快速的瞬态响应转矩对定子电流的灵敏度很高，控制定子电流可具有快速的瞬态响应。图图2-28 2-28 异步电动机基本特性曲线的变化异步电动机基本特性曲线的变化38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理 电源电压与频率之比保持恒定时改变频率，电动机的电流和力电源电压与频率之比保持恒定时改变频率，电动机的电流和力矩矩相应相应变化曲线变化曲线:结论：结论：稳定状态下的转速要比最大力矩转速稍大。稳定状态下的转速要比最大力矩转速稍大。异步电动机的力矩近似
9、表示式：异步电动机的力矩近似表示式：fsfVkT2)/(（2-15）图图2-29 V/f恒定时异步电动机基本特性曲线的变化恒定时异步电动机基本特性曲线的变化38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理（二）交流异步电动机的转速控制（二）交流异步电动机的转速控制 交流调速理论的重大突破交流调速理论的重大突破：矢量控制理论矢量控制理论的提出。的提出。矢量控制定义：矢量控制定义：交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调，然后分别独立调节，
10、从而获得高性能的转矩和转速响应特性。节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制方式：矢量控制方式：磁场定向矢量控制磁场定向矢量控制 转差频率矢量控制转差频率矢量控制 矢量控制关键矢量控制关键：转子磁链的准确检测转子磁链的准确检测。直接关系到矢量控制直接关系到矢量控制 系统性能的好坏。系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理1 1异步电动机的转速控制方法异步电动机的转速控制方法V恒定控制恒定控制 恒功率控制恒功率控制恒电压控制恒电压控制恒转差频率控制恒转差
11、频率控制 V恒定而增加恒定而增加，则使，则使S与与的平方成正比地增加的平方成正比地增加。转差率转差率(S)为恒定为恒定。电源。电源电压恒定、转差率与电源频率成正比电压恒定、转差率与电源频率成正比、输入电流基本恒定。、输入电流基本恒定。这种方式等效于直流电动机的削这种方式等效于直流电动机的削弱磁场控制弱磁场控制。这是逆变电路的输出电压达到这是逆变电路的输出电压达到最大值后，仅仅改变逆变电路输出最大值后，仅仅改变逆变电路输出频率的控制方法。频率的控制方法。相当于直流串励相当于直流串励电动机的自然特性。电动机的自然特性。可以在较大的速度范围内输出可以在较大的速度范围内输出恒定力矩。特性与直流串励电动
12、机恒定力矩。特性与直流串励电动机保持电枢和励磁电流恒定，调节电保持电枢和励磁电流恒定，调节电压改变速度的控制方法相同。压改变速度的控制方法相同。在低频时要适当加大电压，以在低频时要适当加大电压，以保持气隙磁通不变。保持气隙磁通不变。以上的方法只是用于开环控制系统。以上的方法只是用于开环控制系统。如果采用闭环系统，则可达到如果采用闭环系统，则可达到E为常数，这样在包括低为常数，这样在包括低频在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。频在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理2 2矢量控制调速矢量控制调速为了改善异步电机的动态性能，产生了矢
13、量控制理论。为了改善异步电机的动态性能，产生了矢量控制理论。矢量控制也被称为接偶控制或矢量变换控制。矢量控制也被称为接偶控制或矢量变换控制。矢量控制主要是把三相异步电机等效为二相异步电机矢量控制主要是把三相异步电机等效为二相异步电机。矢量控制调速系统主要是对力矩与转子磁通的控制。矢量控制调速系统主要是对力矩与转子磁通的控制。矢量控制逆变器分为电流型和电压型。矢量控制逆变器分为电流型和电压型。在城市轨道交通车辆传动控制中，多采用电压型逆变器。在城市轨道交通车辆传动控制中，多采用电压型逆变器。38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理（1）矢量控制的优势）矢量控制的优势n n 矢
14、量控制的优点：矢量控制的优点：优化空转再粘着的控制性能；优化空转再粘着的控制性能；n 提高轻负荷再生时的再生效率；提高轻负荷再生时的再生效率；n 提高乘坐舒适性（无转矩冲击）；提高乘坐舒适性（无转矩冲击）；n 提高匀速驾驶和提高匀速驾驶和ATO驾驶的精度。驾驶的精度。n 项目项目传统传统V控制控制矢量控制矢量控制电压控制信息电压控制信息大小，频率大小，频率大小，频率，位相大小，频率，位相电流控制电流控制实效值控制实效值控制励磁电流，转矩电流独立控制励磁电流，转矩电流独立控制转矩反应转矩反应数百数百ms数十数十ms演算量演算量小小大大表表2-2-传统传统V V控制与矢量控制的比较控制与矢量控制的
15、比较传统的传统的V控制属于标量控制。控制属于标量控制。38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理（2 2）矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理直流电机中直流电机中，若忽略电枢反应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为：，若忽略电枢反应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为：式中，式中，IaIa为电枢电流为电枢电流；I IL L为励磁电流。为励磁电流。IIKLTat图图2-30直流电机的转矩控制直流电机的转矩控制 （2-16）38三相牵引异步电动机的工作原理三相牵引异步电动机的工作原理 异步电动机的磁场时刻处于旋转之中。异步电动机的磁场时刻处于旋转之中。可以采取与直流电机等价处理的方法。可
16、以采取与直流电机等价处理的方法。以外观上静止的磁链为基准所进行的电流控制就是矢量控制。以外观上静止的磁链为基准所进行的电流控制就是矢量控制。图图2-31 2-31 感应电机的旋转磁场感应电机的旋转磁场置于同步旋转的参考坐标中置于同步旋转的参考坐标中磁通方向呈现稳定状态磁通方向呈现稳定状态与直流电机进行等价处理与直流电机进行等价处理以磁通为基准进行电流控制以磁通为基准进行电流控制矢量控制矢量控制升到旋转磁场升到旋转磁场的上方观察的上方观察（3 3）感应电机的等效电路与电流矢量）感应电机的等效电路与电流矢量 为简单起见，忽略转子的漏感，此时转子磁链和气隙磁链相等。为简单起见，忽略转子的漏感，此时转
17、子磁链和气隙磁链相等。定子电流可以表示为定子电流可以表示为：式中，式中，为流过电感为流过电感lm的定子电流励磁分量；的定子电流励磁分量；为流过转子回路的定子电流转矩分量。为流过转子回路的定子电流转矩分量。IIIqd22m图图2-322-32感应电机的稳态等效电路感应电机的稳态等效电路dIqI（2-17）电流矢量：电流矢量：将磁链将磁链 的方向作为轴、将与轴垂直相交的方向作为軸，的方向作为轴、将与轴垂直相交的方向作为軸，以这些为基准轴对电机电流进行矢量处理。以这些为基准轴对电机电流进行矢量处理。图图2-332-33磁链与电流矢量磁链与电流矢量（4 4）电流矢量的转矩控制）电流矢量的转矩控制在感应
18、电机控制中因为：在感应电机控制中因为：发生的转矩与磁链和发生的转矩与磁链和2次电流（转矩电流）之积成比例关系；次电流（转矩电流）之积成比例关系；磁通与励磁电流成比例关系；磁通与励磁电流成比例关系；所以，矢量控制时的转矩按式子（所以，矢量控制时的转矩按式子（2-16）得出）得出 这里，这里，为比例常量，为比例常量，为磁通，为磁通，为转矩电流，为转矩电流，为励磁电流。为励磁电流。qdqIIKIKT,KKqIdI（2-182-18）轴轴 轴轴dIqImI电机电流电机电流励磁电流励磁电流发生转扭矩小发生转扭矩小加速小加速小发生转扭矩大发生转扭矩大加速大加速大dIqImIqIT一定一定转矩量转矩量励磁量
19、励磁量转矩转矩T图图2-342-34电流矢量的电流矢量的转转矩控制矩控制转转矩电流矩电流（5 5）电压矢量控制）电压矢量控制（）等效（）等效电电路路 （）矢量图（）矢量图 图图2-35 2-35 电压、电流的矢量图电压、电流的矢量图转矩调节时电压矢量控制方法的原理分析转矩调节时电压矢量控制方法的原理分析:图图2-36 2-36 电压、电流的矢量图电压、电流的矢量图3.3.直接转矩控制调速直接转矩控制调速 感应电机控制：最根本的实质是控制电磁转矩感应电机控制：最根本的实质是控制电磁转矩。转矩控制方法：转矩控制方法：直接转矩控制直接转矩控制、矢量控制矢量控制，区别区别:（1）直接转矩控制建立在定子
20、磁场旋转坐标系直接转矩控制建立在定子磁场旋转坐标系中。中。矢量控制建立在转子磁场旋转坐标系中矢量控制建立在转子磁场旋转坐标系中。（2）矢量控制矢量控制一般一般具有具有PWM逆变器和定子电流闭环逆变器和定子电流闭环。直接转矩控制没有直接转矩控制没有。相同：相同：目的目的：都是实现对磁链和转矩的解耦控制都是实现对磁链和转矩的解耦控制。控制目控制目 标标：均是空间矢量均是空间矢量.数学模型数学模型：也都是建立在空间矢量的基础上。也都是建立在空间矢量的基础上。直接转矩控制系统结构简单、控制方便。直接转矩控制系统结构简单、控制方便。（1）直接转矩控制相对于矢量控制在几个方面的分析比较）直接转矩控制相对于
21、矢量控制在几个方面的分析比较 转矩脉动问题：转矩脉动问题：原理相同，都有转矩脉动问题原理相同，都有转矩脉动问题。但。但直接转矩控制直接转矩控制 的脉动问题比矢量控制严重的脉动问题比矢量控制严重，但，但对运行性能的影响不是特别明显。对运行性能的影响不是特别明显。转矩响应速度问题：转矩响应速度问题：直接转矩控制直接转矩控制的的转矩响应速度转矩响应速度优于优于矢量控制矢量控制。其他方面：其他方面：对电动机参数的依赖，直接转矩控制的电压模型对电对电动机参数的依赖，直接转矩控制的电压模型对电 动机参数要求很低动机参数要求很低，而直接转矩控制的电流模型包含了转子磁链，对而直接转矩控制的电流模型包含了转子磁
22、链，对电动机参数依赖较多。对于转矩控制精度，直接转矩要高于矢量控制电动机参数依赖较多。对于转矩控制精度，直接转矩要高于矢量控制。总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不大。总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不大。（2）直接转矩控制感应电机工作特性）直接转矩控制感应电机工作特性 采用直接转矩控制技术，可瞬时控制感应电机转矩。采用直接转矩控制技术，可瞬时控制感应电机转矩。能将负载扰动对速度的影响降到最低。能将负载扰动对速度的影响降到最低。图图2-37 2-37 直接转矩控制感应电机工作特性区直接转矩控制感应电机工作特性区（3 3）直接转矩控制原理直接转矩控制原理 改变电
23、动机转矩的大小：改变电动机转矩的大小：通过改变磁通角的大小来实现通过改变磁通角的大小来实现 直接转矩控制：直接转矩控制：就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子度，以改变定子 磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁通角的大小来控制电磁转矩。通角的大小来控制电磁转矩。若要增大电磁转矩：若要增大电磁转矩：施加正向有效空间电压矢量施加正向有效空间电压矢量定子磁链的转定子磁链的转速速 大于转子磁链大于转子磁链磁通角增大磁通角增大转矩增加转矩增加。若要减小电磁转矩：若要减小电磁转矩：施加零电压矢量
24、施加零电压矢量定子磁链就会停止转动定子磁链就会停止转动磁通角减小磁通角减小转矩减小转矩减小。迅速减小电磁转矩迅速减小电磁转矩：施加反向有效空间电压矢量施加反向有效空间电压矢量定子磁链就会向定子磁链就会向反反 方向旋转方向旋转磁通角迅速减小磁通角迅速减小从而使转矩迅速减小从而使转矩迅速减小 通过转矩调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态通过转矩调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小的交替出现，就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小。图图2-38 2-38 空间电压矢量图空间电压矢量图传统异步步动机直接转矩控制逻辑图传统异步步动机直接转
25、矩控制逻辑图图图2-39 2-39 异步电动机直接转矩控制结构图异步电动机直接转矩控制结构图 感应电机正向转动、定子磁链矢量处于图感应电机正向转动、定子磁链矢量处于图2-38所示所示S1区域时，区域时，各电压空间矢量的作用各电压空间矢量的作用:表表 2-2 电压空间矢量作用表电压空间矢量作用表 在城轨车辆控制系统中异步电机直接转在城轨车辆控制系统中异步电机直接转矩控制常分成矩控制常分成3 3个区段个区段来控制来控制:电机电机30%30%额定频率以下采用圆形磁链定向的额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制间接转矩控制，（图图2-402-40）。电机电机30%30%额定频率到额定点采用定子磁链
26、矢额定频率到额定点采用定子磁链矢量正六边形定向的直接转矩控制量正六边形定向的直接转矩控制，（图图2-412-41）。额定点以后为磁场削弱控制方式，额定点以后为磁场削弱控制方式，（图图2-2-4242）。电机电机30%30%额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制。图图 2-40 低速启动区段的间接转矩控制框图低速启动区段的间接转矩控制框图 电机电机30%额定频率到额定点采用定子磁链矢量正六边形定额定频率到额定点采用定子磁链矢量正六边形定 向的直接转矩控制。向的直接转矩控制。图图2-41 恒磁通运行区较高频率段的直接转矩控制框图恒磁通运行区较高频率段的直接转矩控制框图 额定点以后为磁场削弱控制方式额定点以后为磁场削弱控制方式图图2-42 2-42 磁场削弱时直接转矩控制框图磁场削弱时直接转矩控制框图
